Tài liệu Thiết kế, mô phỏng và chế tạo micromotor dựa trên actuator tĩnh điện và cơ cấu cóc

DƯƠNG XUÂN CHUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICROMOTOR DỰA TRÊN ACTUATOR TĨNH ĐIỆN VÀ CƠ CẤU CÓC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICROMOTOR DỰA TRÊN ACTUATOR TĨNH ĐIỆN VÀ CƠ CẤU CÓC DƯƠNG XUÂN CHUNG HÀ NỘI - 2009 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICROMOTOR DỰA TRÊN ACTUATOR TĨNH ĐIỆN VÀ CƠ CẤU CÓC NGÀNH : KHOA HỌC VẬT LIỆU MÃ NGÀNH: DƯƠNG XUÂN CHUNG Người hướng dẫn khoa học : TS. PHẠM HỒNG PHÚC HÀ NỘI – 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn này là kết quả của chính bản than tôi, không phải là sao chép hay cóp nhặt của tác giả nào cả. Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phạm Hồng Phúc, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình làm luận văn. Những kiến thức và kỹ năng mà thầy đã truyền lại cho tôi đã giúp tôi nghiên cứu chủ động và sáng tạo, thu được nhiều kết quả khả quan. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các anh và các bạn trong nhóm MEMS đã chỉ bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể cán bộ, nhân viên Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu ITIMS đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu trong suốt hai năm học vừa qua. Cuối cùng, tôi dành tất cả lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người luôn ở bên và động viên tôi trong quá trình học tập và công tác. Hà Nội, ngày 16 tháng 11 năm 2009 Dương Xuân Chung Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu MỤC LỤC Trang Mục lục i Tóm tắt luận văn (tiếng Việt) iv Tóm tắt luận văn (tiếng Anh) v MỞ ĐẦU 1 Chương 1: Tổng quan về vi cơ điện tử - MEMS 2 1.1. Sơ lược về công nghệ vi cơ điện tử MEMS 2 1.1.1. Khái niệm về vi cơ điện tử 2 1.1.2. Lịch sử phát triển 3 1.1.3. Những sản phẩm & ứng dụng của linh kiện MEMS, công nghệ MEMS 1.1.4. Tình hình phát triển và ứng dụng công nghệ MEMS tại Việt Nam 6 7 1.1.5 Vật liệu và thị trường MEMS 10 1.2. Phân loại và ứng dụng actuator 11 1.2.1. Định nghĩa actuator 11 1.2.2. Actuator nhiệt 12 1.2.2.1. Actuator cặp nhiệt 12 1.2.2.2. Actuator sử dụng kim loại định hình 13 1.2.3. Actuator áp điện 14 1.2.4. Actuator tĩnh điện 14 1.2.4.1. Actuator tĩnh điện kiểu dầm công xôn 16 1.2.4.2. Actuator tĩnh điện quay 16 1.2.4.3. Actuator tĩnh điện tuyến tính 17 Dương Xuân Chung – ITIMS K15 i Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu 1.2.4.4. Actuator kiểu răng lược 18 Chương 2: Lý thuyết về actuator tĩnh điện và tính sai số của chuyển vị do sai số chế tạo 21 2.1. Khái niệm cơ bản về actuator tĩnh điện 21 2.1.1. Hiệu ứng tĩnh điện và lực điện 21 2.1.2.1. Lực pháp tuyến Fn 22 2.1.2.2. Lực tiếp tuyến Ft 24 2.1.2. Chuyển vị do lực pháp tuyến 25 2.2. Giới thiệu actuator tĩnh điện kiểu răng lược 26 2.3 Ứng dụng comb actuator để thiết kế motor 28 2.3.1. Mô tả actuator sử dụng để thiết kế 28 2.3.2. Ứng dụng comb actuator để thiết kế motor 30 2.3.2.1. Thiết kế 30 2.3.2.2. Cấu trúc răng lược 32 2.3.2.3. Cấu trúc lò xo đẩy 33 2.3.2.4. Cơ cấu chống đảo 34 2.3.2.5. Cơ cấu truyền chuyển động 35 Chương 3: Mô phỏng và chế tạo micromotor sử dụng comb actuator 36 3.1. Giới thiệu về phần mềm Ansys 36 3.2. Xây dựng mô hình comb actuator xoay 38 3.2.1. Mô tả bài toán 38 3.2.2. Mô hình bài toán 38 3.2.3. Mô phỏng Ansys 40 3.3. Quy trình chế tạo 46 3.3.1. Các bước chế tạo 46 3.2.2. Quy trình rửa chip 49 Dương Xuân Chung – ITIMS K15 ii Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu 3.4. Kết luận về các kết quả đạt được 51 3.5. Thí nghiệm ăn mòn SiO2 bằng hơi HF 51 3.5.1. Bố trí thí nghiệm 51 3.5.2. Quy trình thí nghiệm 52 3.5.3. Kết quả 53 Chương 4: Đo đạc đặc tính của micromotor 56 4.1. Xây dựng hệ đo kiểm tra hoạt động của micromotor 56 4.1.1. Yêu cầu hệ đo 56 4.1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ đo 58 4.1.3. Hệ đo 58 4.2. Tính toán vận tốc góc của motor theo lý thuyết và so sánh với thực nghiệm 60 4.3. Giải thích sai số và đề ra biện pháp khắc phục 62 4.1.1. Giải thích sai số 62 4.1.2. Biện pháp khắc phục 62 Chương 5: Kết luận 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 67 A. BÀI TOÁN CẤU TRÚC MÔ PHỎNG ACTUATOR XOAY 67 B. BÁI TOÁN TĨNH ĐIỆN MÔ PHỎNG ACTUATOR XOAY 72 Dương Xuân Chung – ITIMS K15 iii Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu LỜI NÓI ĐẦU Gần đây công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện điện tử được phát triển mạnh, gọi là công nghệ chế tạo các hệ vi cơ điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Tại Việt Nam, công nghệ MEMS được đưa vào nghiên cứu ngay sau khi có sự dịch chuyển nền kinh tế, kêu gọi đầu tư ở nửa cuối thập kỉ 90 (thế kỉ XX). Trong luận văn tốt nghiệp này, em đã được giao nhiệm thiết kế, chế tạo và mô phỏng micromotor – một loại motor có vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ vi cơ rôbốt. Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS để thiết kế và mô phỏng actuator tĩnh điện kiểu răng lược loại xoay đã dùng trong micromotor. Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo của thày giáo TS. Phạm Hồng Phúc, sự quan tâm góp ý của các thày giáo, các anh trong nhóm nghiên cứu MEMS, viện ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến nay luận văn tốt nghiệp của em đã được hoàn thành. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên trong bản luận văn của chúng em không thể trình bày được đầy đủ mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp của các thầy để bản luận văn tốt nghiệp được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Dương Xuân Chung – ITIMS K15 1 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ - MEMS 1.1. Sơ lược về công nghệ vi cơ điện tử MEMS 1.1.1. Khái niệm về vi cơ điện tử Công nghệ vi điện tử chế tạo ra vi mạch hay mạch tích hợp. Trên một phiến bán dẫn, thường là silic người ta có thể tạo ra lớp mỏng oxyt silic để cách điện, bảo vệ, lớp silic pha tạp loại p, loại n để làm ra tranzitor, lớp kim loại để làm điện cực, dẫn điện v.v... Công nghệ vi điện tử đã đạt được đỉnh cao, trên một mảnh silic diện tích cỡ vài centimet vuông đã có thể làm từ vài trăm triệu đến một tỉ linh kiện, tạo thành một mạch chức năng nhớ rất nhiều, xử lý cực nhanh, là trái tim của máy tính. Tuy nhiên công nghệ vi điện tử chỉ làm được những linh kiện điện, nằm trên mặt phẳng gắn chặt với đế silic. Mạch tích hợp cực kỳ phức tạp, có rất nhiều điện cực vào và ra, thực hiện nhiều chức năng nhưng chỉ là các chức năng về điện. Mạch tích hợp không thể làm các chức năng thí dụ về cơ như quay, dịch chuyển, dao động, bơm v.v... Nếu cần có các bộ phận thực hiện những chức năng về cơ thì các bộ phận này được chế tạo theo kiểu cổ điển, phải ghép nối thủ công với mạch tích hợp, tất nhiên là rất cồng kềnh. Gần đây công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện điện tử được phát triển mạnh, gọi là công nghệ chế tạo các hệ vi cơ điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Về mặt chuyên môn, công nghệ MEMS đã giải quyết được nhiều yêu cầu kỹ thuật theo cách hoàn toàn mới. Thí dụ ở xe ôtô, trước chỗ ngồi của hành khách để đảm bảo an toàn người ta đặt những túi rỗng để đựng khí nhưng xếp nhỏ, dấu kín không trông thấy. Trường hợp xe bị va chạm tức là lúc có gia tốc đột ngột (gia tốc âm), bộ phận tự động sẽ điều khiển cực nhanh cho khí xì ra, căng phồng túi khí, người Dương Xuân Chung – ITIMS K15 2 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu chồm lên chỉ va vào túi khí. Trước đây bộ cảm biến gia tốc để điều khiển tự động to bằng lon nước giải khát giá hơn 15 đôla, nay làm bằng công nghệ MEMS nhạy hơn, nhỏ hơn đốt ngón tay giá chỉ vài đôla. Tính ra trong một chiếc xe ôtô hiện đại có đến hàng trăm bộ cảm biến làm theo công nghệ MEMS như vậy (điều khiển túi khí, theo dõi áp suất và nhiệt độ bánh xe, điều khiển bơm khi lốp non hơi, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, nước làm nguội v.v...). Nhiều loại tự động cồng kềnh trước đây, nay được thay thế bằng các linh kiện vi cơ điện thể tích không đáng kể, chất lượng hơn hẳn. Tính ra mỗi năm để dùng riêng cho xe ôtô người ta sản xuất 100 triệu linh kiện MEMS. Một thí dụ nữa là linh kiện DMD (Digital Micromirror Device - linh kiện vi gương kỹ thuật số). Ðó là một hệ gồm cỡ một triệu gương , mỗi gương kích thước 16x16µm2, có thể quay trong phạm vi 10o điều khiển bằng mạch vi điện tử, tất cả đều được chế tạo trên một phiến silic. Các gương khít nhau được xếp thành hàng, thành dãy trật tự và mỗi gương có một tia sáng (laze màu) chiếu vào. Chương trình cài đặt ở máy vi tính điều khiển để các gương quay sao cho các tia phản xạ hoặc không phản xạ, chiếu lên màn ảnh (tấm vải, bức tường) tạo ra hình ảnh. Linh kiện nhỏ gọn, được đóng kín, không bị hơi nước và bụi ảnh hưởng, được sử dụng phổ biến ở các máy chiếu phim kỹ thuật số, máy chiếu hình điều khiển bằng vi tính để thuyết trình ở các cuộc hội thảo v.v.. Ra đời chưa được bao lâu nhưng đến nay cỡ một triệu linh kiện DMD được đưa ra sử dụng, nâng cao hẳn kỹ thuật nghe nhìn. 1.1.2. Lịch sử phát triển Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình vi cơ. - Năm 1500. Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm. Dương Xuân Chung – ITIMS K15 3 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu - Trong những năm 1940, giai đoạn phát triển của chất bán dẫn tinh khiết (Ge và Si). - Năm 1947, phát minh của transistor tiếp xúc, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp mạch bán dẫn. – Năm 1949. Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến chế tạo transistor bán dẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu. - Năm1959, tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề "Có rất nhiều chỗ ở dưới đáy". Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đo micro. - Năm1960, phát minh công nghệ Planar cải tiến rõ rệt độ tin cậy và giá thành của linh kiện bán dẫn. Ngoài ra, công nghệ Planar cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên một mẩu Si. Sự phát triển này báo trước sự khởi đầu của nền công nghiệp IC. - Cũng trong thời gian này, với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (metal – oxide – semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươc những hiệu quả liên tiếp đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ. - Năm 1964, transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson, linh kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên. Chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằng vàng đã làm thay đổi đặc tính điện của linh kiện. - Năm 1970, giai đoạn phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng ý làm biến đổi xã hội, đáp ứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn. - Trong những năm 1970 và 1980, nền thương mại MEMS đã được bắt đầu bởi nhiều công ty sản xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động. - Năm 1982, bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề "Si một vật liệu cơ " trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem Dương Xuân Chung – ITIMS K15 4 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng mà công nghệ MEMS mang lại. - Năm 1984, Howe và Muller, đại học California phát triển quy trình vi cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS. Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS. - Năm 1989, các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện. - Trong những năm 1990. Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục. - Năm 1991. Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công micro bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại ra khỏi đường nền, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều. Hiện nay trên thế giới phát triển 3 công nghệ gia công MEMS: - Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface micromachining) - Công nghệ vi cơ khối (Bulb micromachining) - Công nghệ tia laser (LIGA) Trong đó công nghệ vi cơ khối được dùng rộng rãi bởi các ưu điểm nổi bật, giá thành đầu tư rẻ. Mặc dù nhiều công nghệ và vật liệu chế tạo micro được sử dụng để sản xuất MEMS xuất phát từ nền công nghiệp IC, lĩnh vực MEMS cũng đưa đến sự phát triển và sự cải tiến của các quy trình và vật liệu chế tạo micro khác mà truyền thống không được sử dụng bởi nền công nghiệp IC. Các quy trình và vật liệu IC truyền thống: Bản in quang, oxit hoá nhiệt, khuếch tán chất pha, cấy ion, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Dương Xuân Chung – ITIMS K15 5 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), sự làm bay hơi, khắc, khắc ướt, khắc plasma, khắc ion phản ứng. -Si, SiO2, SiN, Al. Ngoài ra, các quy trình và vật liệu bổ sung được sử dụng trong MEMS: - Khắc ướt không đẳng hướng của Si đơn tinh thể, khắc ion phản ứng sâu (DRIE – Deep Reactive Ion Etching), in quang dùng tia X, mạ điện, màng mỏng LPCVD lực nhỏ, mặt nạ phim dày, khuôn xoay, khuôn đúc công nghệ micro, nối kết micro khối. -Phim hằng số áp điện (ví dụ PZT), phim từ (ví dụ Ni, Fe, Co), vật liệu nhiệt độ cao (ví dụ SiC và sứ), nhôm, thép không gỉ, platinum, vàng, miếng thủy tinh, plastic (ví dụ PVC và PDMS). 1.1.3 Những sản phẩm & ứng dụng của linh kiện MEMS, công nghệ MEMS Các cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator) có thể được coi là hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS. Các cảm biến dùng để đo lực, vận tốc, gia tốc được sử dụng nhiều và chiếm thị phần lớn hơn. Những bộ kích hoạt cùng với các micro-robot ứng dụng trong các hệ vận tải và lắp ráp kích thước micro cũng là các thành phần rất quan trọng được ứng dụng trong vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi phân tích, phòng thí nghiệm trên một mạch chip, phân tích sinh hoá và tự động hoá… Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành công nghiệp ô tô vào thời điểm những năm 90, thiết bị đầu tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể hạt đường, rồi đến một thiết bị khác là bánh xe thông minh - bên trong bánh xe sẽ có một thiết bị MEMS đo áp suất và thông tin về cho bộ xử lý bằng sóng radio. Và từ đó đến nay đã có rất nhiều lĩnh vực khác đã áp dụng và sử dụng các thiết bị MEMS, có thể kể đến như: Dương Xuân Chung – ITIMS K15 6 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu • Trong gia công: robot công nghiệp, các thiết bị đo lường, kiểm tra trong công nghiệp, microrobot dùng để kiểm tra chất lượng sản phẩm. • Trong khoa học: ngành hàng không, đo lường, khoa học vật liệu, quang học - kính hiển vi. • Trong y học: vi phẫu thuật xâm lấn, nội soi với các đầu nội soi can thiệp, thiết bị trợ giúp cho người mù và khiếm thính, hệ thống cấp thuốc và hút dẫn implant, phân tích mẫu máu, lấy mẫu tế bào,… • Trong đời sống: hệ thống micro lưu trữ dữ liệu, cảm biến dùng trong ô tô, các thiết bị điện dân dụng, các thiết bị viễn thông… • Các ứng dụng khác: cảm biến sinh hóa, các hệ thống phân tích, phân tích dược phẩm, microrobots, cảm biến âm thanh… 1.1.4 Tình hình phát triển và ứng dụng công nghệ MEMS tại Việt Nam Công nghệ MEMS được đưa vào nghiên cứu tại Việt Nam ngay sau khi có sự dịch chuyển nền kinh tế, kêu gọi đầu tư ở nửa cuối thập kỷ 90 (thế kỷ XX) đã dấy lên làn sóng dịch chuyển đầu tư của các công ty đa quốc gia tới Việt Nam. Trong đó có không ít công ty hàng đầu trong công nghệ vi cơ điện tử, bán dẫn và sản xuất các sản phẩm dựa trên công nghệ MEMS. Canon tại khu công nghiệp Thăng Long, Hà Nội hoạt động từ năm 2002 chuyên sản xuất máy inphun. Năm 2005, Canon Thăng Long đạt doanh thu 410 triệu USD. Không dừng lại ở đó, nhà máy tại khu công nghiệp Quế Võ đã được khánh thành vào cuối năm 2005. Giai đoạn I, nhà máy có số vốn đầu tư 70 triệu USD này chuyên sản xuất các sản phẩm máy in phun với công suất Dương Xuân Chung – ITIMS K15 7 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu 700.000 sản phẩm/tháng. Nếu hoạt động ổn định, đạt công suất thiết kế, nhà máy sẽ đạt mức doanh thu 400 triệu USD/năm. Trong giai đoạn II, công ty sẽ đầu tư tiếp trên 40 triệu (nguồn: TTXVN). Có lẽ Canon là một trong những ví dụ điều hình minh chứng cho việc phát triển ngành công nghệ in ấn sử dụng thành quả của công nghệ MEMS. Ngoài ra còn rất nhiều các công ty khác trong ngành ô tô đã đầu tư tại Việt Nam như Honda, Toyota, Ford… Không chỉ riêng Canon, cuối tháng 2/2006, Intel – tập đoàn sản xuất bộ vi xử lý và bo mạch lớn nhất thế giới, đã chính thức đón nhận giấy phép đầu tư xây dựng nhà máy đóng gói và hoàn thiện chip vi xử lý với tổng số vốn đầu tư lên đến 1 tỷ USD (nguồn: Thời báo kinh tế Việt Nam). Sự kiện này kéo theo làn sóng đầu tư của các công ty công nghệ phụ trợ đến từ Mỹ, Hàn Quốc và Nhật Bản. Những số liệu ở đây thực sự chưa đầy đủ để phản ánh hết tình hình đầu tư của các tập đoàn lớn vào Việt Nam Chậm hơn so với đầu tư của các tập đoàn công nghiệp lớn, các đơn vị quản lý và chuyên gia đầu ngành về công nghệ MEMS đã ý thức được rất sớm tầm quan trọng của công nghệ tiên tiến này và sớm đưa các nội dung nghiên cứu ban đầu về công nghệ vi cơ điện tử, triển khai tại các cơ sở nghiên cứu trong nước, Tuy nhiên, những nội dung nghiên cứu này không đơn thuần là việc mua nguyên liệu về và trải qua một số bước như gia công, đúc hay đổ khuôn là có ngay thành phẩm (còn nhớ chỉ riêng việc nghiên cứu phát triển gia công gia tốc kế trong công nghiệp ô tô đã tiêu tốn của các nhà khoa học tới gần 30 năm). Cụ thể hơn, công nghệ này đòi hỏi có sự đầu tư ban đầu khá lớn, đồng bộ và trọng điểm. Vào thời điểm ban đầu, chỉ rất ít giáo sư có kinh nghiệm trong lĩnh vực này, tập trung ở một số trường đại học lớn như trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Quốc gia Hà Nội… Để phát triển một nghiên cứu mới, cần phải có ba điều kiện: sự đồng thuận của cơ quan quản lý, cơ sở hạ tầng và nhân lực. Như đã nói, các cấp quản lý rất ý thức được tầm Dương Xuân Chung – ITIMS K15 8 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu quan trọng của ngành công nghệ này và đã tạo điều kiện để các cơ sở nghiên cứu có kinh phí đầu tư trang thiết bị tối thiểu. Tuy vậy, điều kiện thứ ba không thể một năm, hai năm có thể thực hiện được. Ngoài khu vực công nghiệp, các cơ sở nghiên cứu tại Việt Nam đã có những khởi động đón đầu xu hướng này, điển hình là viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội. Ngay từ những ngày đầu thành lập (12/1992), viện ITIMS đã coi ngành Công nghệ Vật liệu tiên tiến trong đó có Công nghệ Vi điện tử, Công nghệ MEMS là chiến lược phát triển. Với chức năng là đào tạo ở sau bậc Đại học (Thạc sỹ và Nghiên cứu sinh) và Nghiên cứu các ngành Công nghệ nói trên, với sự đầu tư ban đầu khá lớn trong khuôn khổ hợp tác Hà Lan - Việt Nam, ITIMS đã chuẩn bị cho mình một đội ngũ cán bộ được đào tạo một cách bài bản và chất lượng cao về công nghệ MEMS khối. Những cán bộ tốt nghiệp từ ITIMS, sau khi hoàn thành chương trình NCS tại các cơ đào tạo tại Châu Âu, Mỹ, Hàn Quốc và Nhật Bản thường làm việc trực tiếp cho các cơ sở nghiên cứu (Viện KH Việt Nam, ĐH Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, các trường ĐH Quốc Gia, hoặc những Công ty đa quốc gia tại Việt Nam, Canon, Intel,…). Về mặt Công nghệ, nhóm Công nghệ MEMS tại ITIMS xác định tập trung vào phát triển một số sản phẩm mang tính chiến lược và phù hợp với điều kiện Công nghệ như - cảm biển áp suất kiểu áp trở, cảm biến gia tốc kiếu áp trở, cảm biến áp suất kiểu tụ, cảm biến gia tốc kiểu tụ. Thêm vào đó, đội ngũ kỹ sư ở ĐH Bách Khoa còn tham gia phát triển thiết bị hàn tĩnh điện cho phép hàn ghép thủy tinh - silíc (nhiệt độ làm việc của bộ khống chế nhiệt độ:30÷6000C, bộ khống chế nhiệt độ hoạt động ổn định và có khả năng đạt đến 3500C trong khoảng 420 giây) à một số thiết bị ăn mòn ướt khác. Chế tạo phiên bản đầu của vi cân thạch anh (quartz Micro Balance) mở ra hướng nghiên cứu virut HIV,… Dương Xuân Chung – ITIMS K15 9 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu Ngoài ĐH Bách Khoa Hà Nội, khoa điện tử Viễn thông- Đại Họa Công nghệ - ĐH QG TP Hà Nội cũng có một số định hướng nghiên cứu ban đầu về mảng công nghệ này còn ứng dụng cảm biến vận tốc. Đơn vị này còn ứng dụng cảm biến MEMS trong việc điều khiển robot từ xa cũng như thiết kế các robot tự cân bằng…. Các loại cảm biến đã được phân tích đánh giá và các phẩm chất thu được là tương đối tốt. Tuy nhiên, một điều cần lưu ý là trong công nghệ chế tạo MEMS, quá trình đóng gói (packaging) đóng vai trò rất quan trọng trong việc đưa cảm biến ra ứng dụng thực sự. Ở bối cảnh hiện tại do các thiết bị chế tạo tại Việt Nam vẫn chưa đầy đủ, các cảm biến mới dừng ở mức nguyên mẫu. Trong tương lai, khi đã có đủ các thiết bị cho việc đóng gói, các cảm biến này hoàn toàn có thể được chế tạo hàng loạt và đưa vào ứng dụng. Điều này giúp cho chúng ta có thể làm chủ công nghệ MEMS và triển khai các ứng dụng không phụ thuộc vào nguồn linh kiện ngoại nhập. 1.1.5. Vật liệu và thị trường MEMS Hiện nay vật liệu MEMS sử dụng chủ yếu là vật liệu silic gồm đế silic khối (silic đơn tinh thể) và silic màng mỏng (silic đa tinh thể). Hai dạng silic này được sử dụng và tiếp cận vì chúng được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp mạch tích hợp, silic khối được sử dụng làm đế mạch điện, trong khi silic đa tinh thể được dùng làm cực cổng của transitor. Tuy nhiên, silic là một vật liệu bán dẫn, rất giòn về mặt cơ học. Hơn nữa vật liệu này lại cũng rất đắt và không cần thiết trong một số ứng dụng nào đó. Để khắc phục những nhược điểm nêu trên, MEMS đang hướng tới sử dụng các vật liệu mới như polyme và các hợp chất bán dẫn. Các vật liệu polyme đang được nghiên cứu và sử dụng ngày càng nhiều trong MEMS vì những tính chất vật liệu độc nhất của chúng (ví dụ như sự tương thích với sinh Dương Xuân Chung – ITIMS K15 10 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu học, trong suốt về mặt quang học…), các kỹ thuật xử lý và giá thành thấp so với silic. Các vật liệu polyme được tìm ra gần đây bao gồm các chất đàn hồi làm từ hợp chất hữu cơ của silic, parylene, polymide và một số các loại khác Các ứng dụng và thị trường MEMS mở ra khi các ứng dụng IC truyền thống kết thúc. Đặc biệt công nghệ chế tạo vi mô và công nghệ MEMS có thể cung cấp một phương tiện giao tiếp với thế giới điện tử số được chi phối bởi IC, với thế giới vật lý tương tự. Trong thị trường MEMS thì sensor chiếm tỉ trọng lớn nhất với 36% trong máy in phun, 21% sensor quán tính, sau đó là sensor quang, áp suất,…Đặc biệt trong ô tô thì sensor áp suất chiếm nhiều nhất như đo áp suất lốp, đo hệ thống phun nhiên liệu,… Dưới đây là biểu đồ thị phần MEMS vào năm 2007: Hình 1.1. Thị trường MEMS - 2007 Với sự phát triển nhanh chóng và tầm quan trọng của mình, MEMS đang là một lĩnh vực hứa hẹn với thị trường béo bở lên tới hàng tỉ đôla. Theo Dương Xuân Chung – ITIMS K15 11 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu dự đoán vào năm 2010 thị trường MEMS có thể đạt tới mức 12,5 tỉ đôla. Nền công nghiệp MEMS chắc chắn sẽ còn phát triển rất nhanh trong tương lai. 1.2. Phân loại và ứng dụng Actuator 1.2.1. Định nghĩa actuator Theo định nghĩa, actuator là các cơ cấu kích hoạt biến đổi năng lượng điện (hay các dạng khác) thành năng lượng cơ. Một actuator lý tưởng cần phải có công suất tiêu thụ nhỏ, hiệu suất cao, có khả năng chuyển động nhanh nếu cần thiết, có tỉ lệ giữa công suất với khối lượng cao, và có sự cân đối tuyến tính giữa lực/mô men/tốc độ… và điều khiển đơn giản. Nhưng trong thực tế không phải tất cả các yêu cầu trên đều có thể đáp ứng cùng một lúc được. Các loại actuator phổ biến hiện nay là actuator nhiệt, actuator áp điện, actuator tĩnh điện. Ngoài ra, actuator từ, actuator hóa học, actuator sinh học… cũng đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới. 1.2.2. Actuator nhiệt Nguyên lý hoạt động của actuator nhiệt dựa vào sự giãn nở của chất rắn và chất lỏng. Chúng được sử dụng khá nhiều trong các thiết bị vi cơ. Sự giãn nở vì nhiệt của các vật liệu có thể được áp dụng dễ dàng để kích hoạt với các cấu trúc micro. Công suất làm việc của actuator nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào sức căng sinh ra và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu. 1.2.2.1. Actuator cặp nhiệt Ý tưởng nền tảng là sử dụng sự khác nhau về hệ số giãn nở vì nhiệt của hai vật liệu được liên kết với nhau. Một bộ nung đặc biệt được đặt vào giữa 2 vật liệu giãn nở nhiệt tốt và khi có dòng điện chạy qua làm cho chúng giãn nở Dương Xuân Chung – ITIMS K15 12 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu khác nhau. Loại actuator này thường được sử dụng làm nhiệt kế, máy đo dải nhiệt độ, sensor nhiệt,… - Ưu điểm: phương pháp này có các mối quan hệ gần tuyến tính giữa chuyển vị với công suất và môi trường (chẳng hạn các actuator đó có thể hoạt động trong các chất lỏng có khả năng dẫn nhiệt thấp). - Nhược điểm: công suất cao, dải tần thấp (được xác định bởi các hằng số thời gian chịu nhiệt) và việc chế tạo phức tạp hơn các actuator tĩnh điện đơn giản. Hình 1.2. Actuator nhiệt 1.2.2.2. Actuator sử dụng kim loại định hình Có vài vật liệu, nhất là hợp kim titanium/nikel có thể thay đổi đáng kể về chiều dài của chúng (sự giãn nở) khi chịu nhiệt, và được gọi chung là kim loại định hình (shape memory alloys-SMAs). Các hợp kim đó, sau khi bị biến dạng cơ học sẽ trở lại trạng thái ban đầu của chúng, trạng thái không biến dạng khi cấp nhiệt. Từ khả năng dẫn điện, chúng có thể được gia nhiệt đơn giản bằng cách cho một dòng điện chạy qua chúng. Sự biến dạng làm cho các vật liệu biến đổi từ một pha tinh thể này thành pha khác, và quá trình này có Dương Xuân Chung – ITIMS K15 13